[論文レビュー] Thickness-dependent structural, magnetic and transport properties of epitaxial Co2FeAl Heusler alloy thin films

Wenhong Wang, Enke Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、MgO(001)基板上にエpitaxialなCo2FeAl (CFA)ヘスラー薄膜の厚さ依存性構造的・磁気的・輸送特性を調査する。薄膜は、面内一軸磁気異方性を示す高秩序なB2構造を示し、異常ホール抵抗率はスケイアリング散乱によって支配され、温度依存性は弱く、厚さが小さくなるに従って増大する。これは、表面／界面電子状態の強化に起因する。

ABSTRACT

We report on a systematic study of the structural, magnetic properties and the anomalous Hall effect, in the Heusler alloy Co2FeAl (CFA) epitaxial films on MgO(001), as a function of film thickness. It was found that the epitaxial CFA films show a highly ordered B2 structure with an in-plane uniaxial magnetic anisotropy. An analysis of the electrical transport properties reveals that the lattice and magnon scattering contributions to the longitudinal resistivity. Independent on the thickness of films, the anomalous Hall resistivity of CFA films is found to be dominated by skew scattering only. Moreover, the anomalous Hall resistivity shows weakly temperature dependent behavior, and its absolute value increases as the thickness decreases. We attribute this temperature insensitivity in the anomalous Hall resistivity to the weak temperature dependent of tunneling spin-polarization in the CFA films, while the thickness dependence behavior is likely due to the increasing significance of interface or free surface electronic states.

研究の動機と目的

• エpitaxial Co2FeAlヘスラー合金薄膜の厚さが、構造的・磁気的・輸送特性に与える影響を理解すること。
• CFA薄膜における異常ホール効果(AHE)挙動の起源を、異なる厚さの範囲で特定すること。
• 界面および自由表面電子状態が、輸送および磁気的応答をどのように変化させるかを調査すること。
• CFA薄膜における縦方向抵抗率に寄与する格子散乱およびスピン波散乱の寄与を明確にすること。

提案手法

• 高い構造的品質を確保するため、分子線エpitaxyを用いてMgO(001)基板上にエpitaxial Co2FeAl薄膜を成長させた。
• X線回折および高分解能透過電子顕微鏡を用いて構造的特徴を評価し、B2秩序およびエpitaxial配向を確認した。
• SQUID磁化計およびバイブレーティング・サブストレート磁化計を用いて磁気異方性および磁化を測定した。
• 温度および薄膜厚さの関数として、縦方向抵抗率および異常ホール抵抗率を測定する電気的輸送測定を実施した。
• 異常ホール効果を分析し、スケイアリング散乱とサイドジャンプの寄与を区別した。
• 温度依存性抵抗率データを分解して、格子散乱およびスピン波散乱の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜の厚さが、MgO(001)基板上に形成されたCo2FeAlヘスラー薄膜の構造的秩序およびエpitaxial品質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Co2FeAl薄膜における異常ホール効果の支配的メカニズムは何か？また、厚さに応じてどのように変化するか？
• RQ3 格子散乱およびスピン波散乱は、これらの薄膜における縦方向抵抗率にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ異常ホール抵抗率は、さまざまな厚さにおいて弱い温度依存性を示すのか？
• RQ5 なぜ異常ホール抵抗率の絶対値が薄膜の厚さが小さくなるに従って増大するのか？

主な発見

• Co2FeAl薄膜は、厚さに関係なく、高秩序なB2構造と面内一軸磁気異方性を示し、構造的安定性が確認された。
• 全厚さ範囲で異常ホール抵抗率はスケイアリング散乱によって支配されており、サイドジャンプ機構による寄与は顕著でない。
• 異常ホール抵抗率は弱い温度依存性を示し、温度に伴うトンネルスピン偏極度の変化が小さいことを示唆している。
• 異常ホール抵抗率の絶対値は、薄膜の厚さが小さくなるに従って増大しており、表面または界面電子状態の強化が関係していると考えられる。
• 格子散乱およびスピン波散乱の両方が、縦方向抵抗率に寄与しており、全厚さ範囲で両者とも存在する。
• 異常ホール抵抗率の厚さ依存性は、薄い薄膜において界面または自由表面電子状態の寄与が増大するためであると特定された。